Andromeda

Der Andromeda-Nebel,
eine ganz normale Spiralgalaxie?
31. August 2012
AVO in Biberach
Herbert Haupt
AV Rottweil / IAS
Andromeda-Galaxie M31 mit M32 und M110
Peter Knappert AVR
Sie sieht doch eigentlich
ganz friedlich aus!
Der Anlass für die Recherche
von HG Diederich:
das Foto von Gerhard Neininger AVR
HGD: „Der Bulge ist etwas kastenförmig!“
Inhalt
1. Einführung: die Andromeda-Galaxie
2. Der Lindblad-Twist
3. Der Kernbereich
4. Die „bewegte“ Scheibe/Spirale
5. Die seltsamen Sternhaufen
6. Die Begleiter, oder was davon blieb
7. Zusammenfassung und Vergleich
mit der Milchstraße
8. Literatur und Links
1. Einführung:
Die Andromeda-Galaxie
das fernste, mit freiem Auge sichtbare Objekt
(3.5mag)
Die Lokale Gruppe
Die großen Galaxien:
- Milchstrasse
- Andromeda-Galaxie
- Dreiecks-Galaxie
Die Andromeda-Galaxie: Historie
• 964: Al-Sufi – erste Beobachtung des „Nebelfleckchens“
• 1612: Simon Marius – Wiederentdeckung (mit Teleskop)
• 1864: William Huggins – „Spektrallinien sind verwischt“,
M31 ist also andere Art als Gasnebel  stellare Natur
• 1885: Ernst Hartwig beobachtet bisher einzige (Super)nova;
nicht ernst genommen, da Distanz zu M31 unterschätzt
• 1887: Isaac Roberts – erstes Foto: Spiralstruktur (aber noch als
Teil unserer Milchstraße angesehen)
• 1912: Vesto Slipher (mit Spektroskopie) – M31 kommt mit
300 km/s auf uns zu
• 1917: Heber Curtis – Novae in M31 um 10 mag schwächer,
1887: Erstes Foto der Andromeda-Galaxie I. Roberts
Der Andromeda-Nebel rückt immer weiter weg
• Vor 1785: „kleiner Nebel“, nicht allzu weit entfernt
• 1785:
William Herschel: Entfernung < 2000x die zum Sirius
• 1917: Heber Curtis: 500.000 LJ, da Novae 10mag schwächer
 M31 außerhalb der Milchstraße!
• 1922:
Ernst Öpik: 450 kpc ≈ 1,5 Mio LJ
• 1925:
Edwin Hubble: Einzelsterne im Außenbereich aufgelöst,
 Cepheiden („falsche Art“)  0,8 Mio LJ
• 1943;
Walter Baade: rötliche Sterne im Zentrum aufgelöst
 Sternpopulationen I und II  zwei Arten von Cepheiden
 Distanz (zu Hubble) verdoppelt  auch Weltall größer
2. Der Lindblad-Twist
und andere Verdrehungen
Hans-Günter Diederich:
„Die 3 Geheimnisse der Andromeda-Galaxie“
Neigung der Galaxien-Scheibe gegen die Sichtlinie: 12,5°
M31
Innenbereich
2MASS =
Two Micron
All Sky Survey
HG Diederich: Analyse der Verdrehung
zwischen innerer und äußerer Scheibe
Kastenartige (boxy) Struktur des zentralen
Bauches (bulge) der Andromeda-Galaxie
HGD
Unterschiedlich
gestreckte
Aufnahme von
Nukleus und Bulge
Isophoten-Darstellung zu oben:
• kreisförmiger Nukleus
• nach außen zunehmend
kastenförmig mit Änderung
des Positionswinkels
 Balken-Galaxie
Formen von Elliptischen Galaxien(-Bulges)
JV. Feitzinger
E-Systeme mit Absoluthelligkeit > -21 Größenklassen zeigen eine
kastenartige Helligkeitsverteilung, weniger helle eine scheibenartige.
Scheibe:
ngc4660
Kasten = dreiachsiges Rotationsellipsoid:
ngc4365
Der Warp von Andromeda
Ph. Choi, P. Guhathakurta, UCSC 2001
Extremer Warp in der äußeren Spiralenscheibe:
„vermutlich infolge von Wechselwirkungen mit Begleitgalaxien
oder Trümmern von früheren Verschmelzungen mit anderen Galaxien“
Die innere Scheibe ist gegenüber der äußeren gekippt
(Bertil) Lindblad Resonance:
A gravitational resonance (hypothesized to explain the
existance of galactic spiral arms) which occurs when the
frequency at which the star encounters the galactic spiral
wave is a multiple of its ecliptic frequency
Per Olof Lindblad:
The simulations demonstrate the role of the bar and the
importance of resonances between the bar rotation and
the rotation of the galaxy for the formation of the spiral
structure
I. I. Pasha: Lindblad´s bar-spiral density theory
Dichte-Variationen und absolute
Dichtewerte in der Scheibe
führen zur Entstehung eines
Balkens, sowie zu dessen
„starrer“ Rotation bei bestimmten
Resonanzbedingungen zwischen
den Sternbewegungen im Balken
und der Scheibenspirale.
Die Sternbahnen im Balken sind
sehr kompliziert und speziell
keine geschlossenen Ellipsen.
Lindblad-Verdrehung
Innerer Scheibenbereich ist gegenüber äußerem gekippt
Mögliche Ursachen:
• Folge der Kinematik in der Scheibe (Balken und Spirale)
• Wechselwirkung mit nahegelegenen Galaxien
(M32, M33, Milchstraße, ... )
„M33 responsible for some warp in M31´s arms?“
• Hochgeschwindigkeitswolken, die von außen in die
Galaxie mit hohem Drehmoment einfallen
• kannibalisierte Begleitgalaxien
• gegeneinander verdrehte Achsen der Rotationsellipsoide
von sichtbarer und dunkler Materie
3. Der Kernbereich
Staub in Andromeda
B. Groves et al. 07.2011
Emissionswellenlängen des Staubes:
- blau: PACS 70 μm, - grün: PACS 100 μm, - rot: SPIRE 250 μm
 Anstieg der Staub-Temperatur zum Zentrum hin!
Staubtemperaturen im Zentrum von M31
Brent Groves et al. 07-2012
Innerer Balken und Dunkelwolken im Zentrum
der Andromeda-Galaxie
HG Diederich
Sofue et al. 1993: „Face-on“ Minibalken im
R-Band,
zentrale Region (Seite = 900 LJ) 
Linienabstand ist 0,021 mag
 Minispirale stark aus Galaxien-Ebene
herausgedreht, daher beinahe in Aufsicht
 Gas (HI/H2) abgezogen aus M32 und M110?
Ngc1097 in FOR
ESO 10-2005
Schwarzes Loch im Kern
~ 100 Mio Sonnenmassen
„auf Diät“
Zentralbereich Ø ~5000 LJ
Innenbereich der Galaxie ngc1097
im nahen Infrarot
Zentrale Spiralarme
und Sternentstehungs-Ring
ESO
„The dusty path to doom“
In Ellipse: Sternlicht unterdrückt 
zentrale Spiralarme als dunkle Kanäle
Viele Balkenspiralen sind aktiv, vermutlich wegen Gas, das entlang
der Arme in den Kern spiralt
M 31
Hubble-Blick
ins Zentrum,
im Optischen
12.01.2012
35 Lichtjahre
alte rötliche
und junge blaue
(< 200 Mio J)
Sterne ums
Schwarze Loch
Zentrum der AndromedaGalaxie (1)
„Doppel“-Kern mit 5 LJ Distanz:
nur ein Schwarzes Loch mit >2•107!
Sonnenmassen im lichtschwächeren
Teil = galaktisches Zentrum
Hellerer Teil:
- wegen geringerer Abschattung?
- wegen längerer Verweildauer der
Sterne bei exzentrischem Lauf
ums Schwarze Loch?
Zentrum der Andromeda-Galaxie (2)
Über 400 junge, blaue
Sterne umkreisen das
Schwarze Loch in
einer Scheibe mit nur
1 LJ Durchmesser,
mit 1000 km/s,
Umlaufdauer ~100 J
Außen herum: Ring
aus alten, rötlichen
Sternen
Andromeda-Galaxie: Zoom-in
Milchstraße: Bewegung massereicher
Sterne um das Schwarze Loch
MPIA 1992-2006:
Aufnahmen im Infraroten
Kreuz = schwarzes Loch
im Zentrum
Stern S2 (am nächsten
zum Schwarzen Loch):
- große Halbachse ~9 LT
- Umlaufdauer ~15 Jahre
- max. Geschw. ~4000 km/s
Andromedas
Sternwind
MPIA
ionisiertes Gas (~ 4Mio K)
im Röntgenlicht:
wenige Mio Ms, davon
strömen pro Jahr 0,1 Ms ab,
parallel kleiner Halbachse!
Quelle von Masse
und Energie:
Supernovae 1A und
entwickelte Sterne
(links unten, ~2kLJ)
4. Die „bewegte“ Scheibe
bei verschiedenen Wellenlängen
M31, M32 und M110 im Sichtbaren
Tony Hallas
Staubbänder verdeutlicht; Sternströme von M32 und M110 sichtbar
Die Andromeda-Galaxie im UV-Licht (Galex)
Das UV-Bild zeigt einen 150 kLJ weiten Ring von jungen,
heißen, blauen Sternen, der Andromedas zentralen Bauch
umgibt
Die Andromeda-Galaxie im Infraroten
(WISE-Teleskop)
blau: 3,4/4,6 μm  eher alte Sterne
grün:
12 μm
rötlich: 22 μm  durch neue/massereiche Sterne aufgeheizter
Staub
Andromeda-Galaxie: Zusammenfassung
in Falschfarben
blau: junge, heiße Sterne großer Masse
grün: ältere Sterne
gelbes Zentrum: dichte Population alter Sterne
rot: kalte Staub-Regionen mit entstehenden Sternen,
die noch in ihrer Gas-/Staubwolke vergraben sind
lila: junge und alte Sterne in Koexistenz
Pauline Barmby /David Block: 2. Ring (innen): eine Gas-/Staubwolke,
die nach Aufprall von M32 vor 210 Mio Jahren entstand
Struktur der Andromeda-Galaxie im Infraroten
Spitzer-Teleskop Pauline Barmby
Helle Bereiche: Staubfilamente mit Sternbildung im Innern,
erscheinen im Sichtbaren als dunkle Bänder
Abstand der Zentren von Galaxie und äußerem Ring: ~ 5 kLJ!
Innen- und Außenring: „Wasserwellen“ nach zentralem Durchstoß
von M32 vor ca. 210 Mio Jahren?
Loch im Außenring: nach Durchstoß von M 32 durch Andromeda?
Simulation des Durchstoßes von M32
David Block, RSA
Ring aus jungen Sternen (30 kLJ Ø,
Zentrum versetzt um 4 kLJ gegen Gx)
und 4,5 kLJ großer elliptischer
Staubring, um 1,5 kLJ versetzt:
werden für nahezu frontale Kollision
durch Simulation bestätigt!!
Interpretation der Ringe:
Dichtewellen, die langsam nach
außen wandern
heute
Auch das Loch im äußeren Ring
taucht als Überlagerung der
Spiralarme mit der Dichtewelle auf!
M32 schrumpfte beim Durchstoß von
1/10 auf 1/23 der Masse von M31!!
Andromeda-Galaxie im Licht der 21 cm-Linie
des neutralen Wasserstoffs
• Maßstab gegenüber Vorbildern im Verhältnis 2:3 verkleinert
• Durchmesser ≈ 5°, entsprechend 220.000 LJ  H-Wolke gering
im Vergleich zur Milchstraße und ähnlichen Spiralen
L. Chemin et al.
Rotationsgeschwindigkeit über dem Radius
v(r) = (G·M(r)/r)1/2
1: Schwarzes Loch (~100 Mio Ms) und hohe Sterndichte in Kern
2: Kepler-Abfall zu 1.
3: Hohe Sterndichte in Spiralarmen / Ringen und Dunkle Materie
4: Plateau durch Dunkle Materie: M(r) ~ r
1
2
3
4
= 82 kLJ
Die Andromeda-Galaxie bei der 21 cm-Linie
Die rotierenden Wolken des neutralen Wasserstoffs kommen rechts
auf uns zu, links gehen sie von uns weg. ∅ ≈ 220 kLJ
Der Dopplerverschiebung ist die Relativbewegung von ~ 300km/s
auf uns (Sonne) zu überlagert.
L. Chemin et al.
Molekulares Gas (CO): Geschwindigsverteilung
Ch. Nieten et al.
CO als Begleitgas von molekularem H2 ist nur noch auf die
ringförmigen Strukturen begrenzt, wo „heute“ im Wesentlichen
Sterne entstehen.
Atomares H ist gleichmäßiger verteilt.
Ultrahelle Röntenquellen in M 31
Chandra 2012
Die ULXs sind wohl stellare Schwarze Löcher; ULX-1 mit 13 Ms
Das Spektrum und das Helligkeitsabklingen sprechen für
Röntgen-Doppelsterne
ULX-2
ULX-2
ULX-1
Kernregion
ULX-1
ULX-1
Stellares Schwarzes Loch
mit > 13 Ms, das gerade
viel Materie schluckt,
wenige LJ vom Zentrum
5. Andromedas (seltsame) Sternhaufen
Sternentstehungsgebiet NGC 206 in M 31
Sehr massereicher
offener Sternhaufen:
Eines der größten
Sternentstehungsgebiete
in der lokalen Gruppe:
„Untersuchungs-Labor
für Sternentwicklung und
Entfernungsbestimmung“
Andromedas seltsame Sternhaufen
M 31 hat ~ 3x so viele Kugelsternhaufen (4-500) wie die Milchstraße,
davon fallen einige aus der Reihe. Sie sind:
• weit weg von M31, bis zu 500 kLJ
• ähnlich Kugelsternhaufen, aber viel
ausgedehnter, nur 1/1000 Dichte
• kein Analogon sonst bekannt
Riesenkugelhaufen G1 = Mayall II
Mayall II = G1 (Globular 1)
größter? Kugelhaufen in der Lokalen Gruppe
kompakter Satellit
von Andromeda,
umkreist M31 in
130 kLJ Abstand
~10.000.000 Sterne
(doppelte Masse von
Omega Centauri)
in ~ 43 LJ Ø
Schwarzes Loch mit
20.000 Ms im Kern
 Kugelhaufen oder
Rest eines Begleiters?
6. Die Begleiter,
oder was davon blieb
Andromedas Satelliten-Galaxien:
Ungewöhnliche Anordnung
• 9 der 14 Zwerggalaxie-Satelliten liegen in einer Ebene
senkrecht zu der von Andromeda und durch deren Zentrum
• Sie enthalten etwa 80% der Masse der Satelliten-Galaxien
• Die Ebene ist etwa 50 kLJ weit
• Bisher keine schlüssige Erklärung. Denkbar:
- Kannibalismus einer großen Begleitgalaxie vor langer Zeit?
Deren Reste kreisen noch um Andromeda
- Einbettung in Dunkle-Materie-Strom zwischen M33
(0,7 Mio LJ) und M81 (11 Mio LJ)?
• Allgemein üblich? Auch die Milchstraßen-Satelliten liegen
PAndAS-Durchmusterung von M31 und M33
Alan McConnachie
Schwache Sternhalos
dehnen sich bis zu
500 kLJ um M31 und
150 kLJ um M33 aus
>300.000 Sterne,
6..13 Mrd Jahre alt
Dazu mehrere stärkere
Sternströme im Umfeld
der Galaxien
Die Sternhalos stammen
überwiegend von M33
Bahn von M33 um die Andromeda-Galaxie
Simulation von A. McConnachie
• größte Annäherung vor 2,6 Mrd. Jahren mit 130 kLJ
• größte Entfernung vor 0,9 Mrd. Jahren mit 860 kLJ
von der Erde
Blick auf die Bahnebene
•Blickrichtung
heute: 700 kLJ
Dreiecks-Galaxie M33
vor (oben) und nach (darunter)
dem Vorbeiflug an Andromeda
• rechts: Daten aus PAndAS-Projekt
• links: Simulation vor/nach Vorbeiflug
• unten: Seitenansicht (heute)
Es wurden sowohl die Außenbereiche in
der Scheibe gegen den inneren Teil
verdreht, und die äußeren Teile von der
Scheibe weggebogen (Warp; infolge
Verkippung der Achsen der
Rotationsellipsen von baryonischer und
dunkler Materie gegeneinander?)
7. Zusammenfassung und
Vergleich mit der Milchstraße
Zusammenfassung
und Vergleich mit der Milchstraße
Andromeda
Milchstraße
• Durchmesser (optisch) kLJ
200
100
• Durchmesser des Sternhalos kLJ
1000
< 200
• Sternzahl
1000 • 109
300 • 109
1-1,2 • 1012 1-1,9 • 1012
• Masse in Ms
(Die Milchstraße hat einen viel größeren und massereicheren Halo
aus Dunkler Materie)
• Masse des Schwarzen Lochs 20  100 • 106
4 • 106
• Leuchtkraft in Ls
4 • 109
10 • 109
• Zentraler Bauch
triaxial
kugelförmig 16kLJ
Zusammenfassung
und Vergleich mit der Milchstraße
• Struktur der Andromeda-Galaxie: stark gestörte Balken-Spirale
TypSA(s)b LINER (oder Typ SB..?)
• Bei der Andromeda-Galaxie lassen sich mindestens vier
gegeneinander verdrehte Bereiche unterscheiden:
- der Kernbereich bis ~ 500 LJ in nahezu Aufsicht-Lage mit
massivem Schwarzem Loch, umgebenden Sternhaufen und MiniSpirale
- der triaxiale Bulge (~12x8x4 kLJ) mit Verlängerung als
dünnem Balken (~ 1,4x Bulgelänge)
- die innere Scheibe bis zum Ring mit Spiralenansatz
- die äußere Scheibe mit der eher schwach ausgebildeten Spiralen
bis zum äußeren Ring
• Außerhalb weitere schwache Spiral/Ringstrukturen und der extrem
ausgedehnte Halo bis 500 kLJ
Zusammenfassung
und Vergleich mit der Milchstraße
Alle diese verdrehten, verbogenen, ringförmigen
Strukturen sind die Folge heftiger gravitativer
Wechselwirkungen mit den größeren Begleitgalaxien
und mit Zwerggalaxien, die dabei stark zerrupft und in
Teilen von Andromeda einverleibt wurden.
Derartige Wechselwirkungen waren und sind auch bei
der Milchstraße vorhanden, aber in viel geringerem
Ausmaß.
Daher ist deren Spiralstruktur noch weitgehend intakt.
Die Milchstraße
Wenig gestörte
Balken-Spirale, Typ SBc:
im Wesentlichen zweiarmig
mit Nebenarmen
Balkenlänge ~27 kLJ
Zusammenfassung
und Vergleich mit der Milchstraße
Die Andromeda-Galaxie kannibalisiert alles um sich
herum und wird dabei selber kräftig durchgeschüttelt.
Jetzt kommt sie mit 114 km/s auf die Milchstraße zu und
wird mit ihr verschmelzen oder bei nahem Vorbeiflug
mit ihr zumindest heftig wechselwirken.
Aber: bis dahin haben wir ja noch etwas Zeit!!
Kollision mit Andromeda jetzt gewiss!!
Seitliche OrbitalBewegung um
17 km/s!
links: heute
rechts: in 2 Mrd. J
darunter: in
3,8 - 4 Mrd. Jahren
Die beiden
Galaxien werden
verformt, zerrissen
und zur elliptischen
Gx umgebildet!!
Literatur (1)
• HG Diederich: Die drei Geheimnisse der Andromeda-Galaxie
J. für Astronomie IV/2009, S. 30-32
• B. Lindblad: On a barred spiral structure in the Andromeda
Nebula, Stockholm Obs. Ann. 19,2 (1956)
• S. Berman: Hydrodynamic simulations of the triaxial bulge
of M31, arXiv:astro-ph/0103209v1 14 Mar 2001
• Y. Sofue et al.: Face-on barred spiral structure of molecular clouds
in M31´s bulge, arXiv:astro-ph/9309047v1 29 Sep 1993
• L. Chemin et al.: HI kinematics and dynamics of Messier 31
arXiv:0909.3486v1 [astro-ph.CO] 21 Sep 2009
• R. L. Beaton et al.: Unveiling the boxy bulge and bar of the
Andromeda spiral galaxy, ApJ 658, L91-94 (1. April 2007)
Literatur (2)
• Guido Thimm: Andromeda ist schuld, SuW Jan. 2010, S. 29-31
• St. Deiters: astronews.com, 2006 „Frontalzusammenstoß mit M32“
• J. V. Feitzinger: Galaxien und Kosmologie, Kosmos-Verlag 2007
• F. Hammer: Observatoire de Paris, Communique 24-11-2010
• D.L. Block et al: An almoust head-on collision as the origin of two
off-center rings in the Andromeda galaxy, Nature 443, 832(2006)
• B. Groves et al: The heating of dust by old stellar populations in the
bulge of M 31: arXiv: 1206.2925v1 [astro-ph.CO] 13. Juni 2012
Literatur (3, Links)
• www.black-forest-astrophotography.de (Peter Knappert)
• www.astronomie-rw.de/inhalt/neininger/neininger/html
• www.solstation.com/x-objects/andromeda.htm
• www.mpa-garching.de/mpa/research/current_researchhl2008-8/...
• www.absoluteastronomy.com/topics/Andromeda_Galaxy
• www.abenteuer-universum.de/galaxien/andro.html
• www.spaceflightnow.com/news/n0606/05andromeda
NASA/JPL release 05.06.2006 (Spitzer)
• www.cfa.harvard.edu/image_archive/2006/40/lores.jpg
• www.space.com/scienceastronomy/060123_andromeda_plane.htm